Plasmas spatiaux

 Généralités sur les plasmas 

Définition d’un plasma

Le plasma est le quatrième état de la matière après les états solide, liquide et gazeux, qui correspond à l’état où l’enthalpie (énergie total d’un système thermodynamique) est maximale, comme illustré sur la Figure 1. Le plasma est un gaz ionisé macroscopiquement neutre (composé d’électrons et d’atomes ayant perdus ou gagnés des électrons) qui se crée à partir d’un gaz neutre par apport d’énergie, que ce soit avec un champ électrique, chauffage, etc. [1]. Figure 1 : Illustration des différents états de la matière Figure 2 : Classification des plasmas [1] Le plasma est l’état le plus présent dans l’univers. En effet, à l’échelle cosmique plus de 99, 9% de la matière visible se présente sous forme de plasma [2], même si sur Terre peu de plasma est visible à l’état naturel (comme les orages et les aurores boréales). Le plasma présent dans l’univers peut être classé en fonction de deux paramètres essentiels qui sont la densité 𝑛𝑛[𝑐𝑐𝑐𝑐−3], qui correspond à la répartition des particules du plasma par unité de volume, et la température 𝑇𝑇[𝐾𝐾 𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑒𝑒𝑒𝑒], qui traduit la dispersion d’énergie cinétique moyenne des constituants du plasma caractérisé [1], comme visible sur la Figure 2. Contexte scientifique et technique 12 La prochaine sous-partie a pour but de présenter quelques notions de physique des plasmas afin d’introduire les méthodes et les modèles utilisées pour étudier les plasmas spatiaux, ainsi que les grandeurs physiques qui seront utiles pour l’instrumentation. b) Caractérisation d’un plasma L’étude des plasmas est un domaine complexe à cause du couplage entre champs et particules [2]. En effet, un plasma est composé de particules chargées qui, en présence d’un champ électrique ou magnétique, subissent des mouvements à l’origine de charges d’espace et de courants qui vont à leur tour générer des champs électriques et magnétiques, qui entrainent de nouveau un mouvement des particules et ainsi de suite, comme illustré sur la Figure 3. Figure 3 : Interactions Champs / Plasma [2] En théorie il est possible d’étudier le comportement d’un plasma à travers le comportement de chacun de ces constituants. En effet, la présence d’un champ électrique ou magnétique met en mouvement les particules sous l’effet de la force de Lorentz définit, tel que : 𝐹𝐹⃗ = 𝑞𝑞. (𝐸𝐸�⃗ + 𝑣𝑣⃗ 𝐵𝐵�⃗) avec q la charge et v la vitesse de la particule, E le champ électrique et B le champ magnétique. La mise en mouvement des particules crée l’apparition de zone de charge d’espace ainsi que du courant qui peuvent être déterminés avec les équations de Maxwell |3]. Cependant, cette méthode met en jeu beaucoup d’équations (autant que de particule) couplées, qui doivent être résolues simultanément [2]. Cette méthode n’est donc pas utilisée en pratique pour la description d’un plasma spatial, sauf cas particulier où la densité est très faible (suffisamment pour pouvoir négliger le comportement collectif des particules) comme c’est le cas pour l’étude du comportement des particules entrantes dans un instrument. En raison de leur comportement collectif, d’autres méthodes peuvent être utilisées. Elles étudient soit le comportement moyen d’un plasma avec une approche statistique, soit la modélisation par des équations dont les propriétés sont macroscopiques (ce qui néglige les comportements individuels des particules qui sont regroupées par type d’espèce, ion lourd, électron, …) [3]. L’approche statistique (théorie cinétique) consiste à étudier le comportement moyen des particules à travers l’étude d’une variable statistique qui traduit la probabilité de « trouver » une particule dans un volume dr avec une vitesse appartenant à l’élément dv [3], appelé fonction de distribution. Cette approche est notamment utilisée pour des échelles de temps court où les collisions de proche en proche sont négligeables [2]. Dans le cas où les collisions sont négligeables (comme sur des échelles de temps suffisamment grandes), le plasma peut être considéré comme un fluide avec une densité, une vitesse et une température locale [3]. Cette approche s’appuie sur les équations de l’hydrodynamique couplée avec les équations de 13 Maxwell : la Magnétohydrodynamique (MHD). La MHD fait également intervenir la notion de fonction de distribution à travers ses moments pour le calcul de densité, vitesse, … [6]. Les modèles utilisés pour les applications spatiales intègrent toujours la notion de fonction de distribution, car c’est le paramètre clé à mesurer avec les instruments de façon à caractériser le plasma. La notion de fonction de distribution est explicitée dans les prochains paragraphes.

Motivation des mesures in-situ pour les instruments AMBRE

A présent la notion de plasma introduite, cette partie s’intéresse aux enjeux scientifiques et opérationnels des instruments de mesure du plasma, tel qu’AMBRE. a) Enjeux Scientifiques Avant de présenter les enjeux spécifiques des instruments AMBRE, il est intéressant d’introduire les problématiques générales liées à la géophysique de l’environnement terrestre proche. Généralité sur la physique des plasmas spatiaux Le domaine de la Géophysique a beaucoup évolué avec l’avancée du spatial. C’est dans ce contexte que la physique des plasmas spatiaux a pris une part importante dans la géophysique notamment pour comprendre les interactions Soleil-Terre, ainsi que leurs conséquences sur les installations électriques terrestres, les satellites, la météorologie, … comme illustré sur la Figure 4-a.